如果說RFID PEPS是燃油車時(shí)代的霸主，BLE PEPS是車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的翹楚，那么UWB PEPS必將是自動(dòng)駕駛時(shí)代的新貴。UWB憑借精準(zhǔn)的測(cè)距與定位的優(yōu)勢(shì)，不僅將在車身域PEPS系統(tǒng)智能化升級(jí)上率先落地，還將逐漸成為自動(dòng)駕駛在特定場(chǎng)景特定功能下的關(guān)鍵技術(shù)支撐。 車身域黑話第二期，作者首先介紹UWB技術(shù)特點(diǎn)、發(fā)展歷程、測(cè)距定位原理，接著呈現(xiàn)主流玩家的UWB PEPS系統(tǒng)方案，最后淺談一下UWB在自動(dòng)駕駛上的應(yīng)用前景。

一、技術(shù)特點(diǎn)

UWB（Ultra Wide Band，超帶寬）技術(shù)是一種利用納秒級(jí)的脈沖進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通訊技術(shù)。UWB因發(fā)射的脈沖信號(hào)占用一個(gè)很寬的頻譜范圍（>1GHz）而得名超帶寬。

UWB的測(cè)距方法和當(dāng)前絕大多數(shù)激光雷達(dá)的測(cè)距方法一樣，均為ToF（Time of Flight，飛行時(shí)間）方法。發(fā)送端發(fā)射一個(gè)脈沖信號(hào)，打到物體后返回，接收端接收到發(fā)射信號(hào)后計(jì)算兩者之間接收時(shí)間差，并通過乘以光速來實(shí)現(xiàn)物體之間距離的測(cè)量。

下面這張圖匯總了UWB與前文介紹的RFID/BLE/Wi-Fi無線通訊技術(shù)的主要不同點(diǎn)。RFID/BLE/Wi-Fi技術(shù)通過在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)窄帶上用載波（調(diào)制正弦波）傳輸信息并依據(jù)信號(hào)強(qiáng)度判斷設(shè)備之間距離，UWB與之相比具有如下幾個(gè)典型優(yōu)勢(shì)。

（1）安全性高。基于ToF原理的測(cè)距，測(cè)量的是真實(shí)物體的反射信號(hào)，這樣一來黑客就沒辦法使用一個(gè)不在場(chǎng)設(shè)備偽造一個(gè)信號(hào)來與UWB設(shè)備通信（BLE基于信號(hào)強(qiáng)度值測(cè)量的原理，很容易被黑客偽造的一個(gè)強(qiáng)度信號(hào)欺騙）。屬于含著避免中繼攻擊的魔法誕生。IEEE 802.15.4z標(biāo)準(zhǔn)更是在信號(hào)的PHY包中添加了加密和隨機(jī)數(shù)等保護(hù)機(jī)制，進(jìn)一步增強(qiáng)了UWB通信的安全性；

（2）定位精度高。和標(biāo)準(zhǔn)窄帶信號(hào)相比，UWB脈沖信號(hào)的上升和下降時(shí)間更短，測(cè)量脈沖反射回來的到達(dá)時(shí)間會(huì)更加精確，目前可實(shí)現(xiàn)厘米級(jí)定位精度，比BLE高約100倍；

（3）帶寬大。理論傳輸速率可以做到很高，但受功率密度限制，傳輸速率通常在幾十Mbps到幾百M(fèi)bps之間，目前可達(dá)27Mbps，隨著標(biāo)準(zhǔn)的完善，有望進(jìn)一步提高。同時(shí)由于秒脈沖信號(hào)功率密度小，因此傳輸距離通常被限制在10m范圍內(nèi)；

（4）抗干擾能力強(qiáng)。UWB在時(shí)域上的脈沖很窄，所以在時(shí)間和空間上有較大分辨力，基本不受噪聲影響；且超帶寬又決定多徑分辨能力強(qiáng)，能夠分辨并剔除大部分多徑干擾信號(hào)的影響。

二、發(fā)展歷程

20世紀(jì)60年代，UWB技術(shù)首次出現(xiàn)在軍事、雷達(dá)領(lǐng)域的時(shí)域電磁學(xué)的研究之中，并一直在軍事領(lǐng)域發(fā)光發(fā)熱。 2002年的時(shí)候，F(xiàn)CC（Federal Communications Commission，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)）宣布在嚴(yán)格限制下，將公眾通信頻段3.1GHz~10.6GHz，共7.5GHz的頻帶開放給UWB。同時(shí)限定了遠(yuǎn)低于BLE/Wi-Fi的輻射功率，-43.1dBm。至此，UWB正式向民用領(lǐng)域開放，也迎來第一次發(fā)展高峰。 基于大帶寬、低功耗的特點(diǎn)，大家最初設(shè)想的是如何利用UWB打造一個(gè)10m內(nèi)的短距高速無線局域網(wǎng)，但由于技術(shù)路徑始終沒有達(dá)成一致，而作為競(jìng)爭(zhēng)者的WI-Fi技術(shù)發(fā)展迅猛，UWB最終退出了高速無線局域網(wǎng)傳輸這個(gè)舞臺(tái)。 就這樣臥薪嘗膽多年之后，UWB終于在定位領(lǐng)域迎來了翻身。高帶寬的特點(diǎn)決定了定位精度較高。

2019年，蘋果發(fā)布的iPhone11系統(tǒng)上已預(yù)置搭載了UWB技術(shù)的芯片Apple U1，UWB借此進(jìn)入到主流消費(fèi)電子領(lǐng)域。2020年8月25日，IEEE 802.15.4z定稿，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)定位安全性做了改進(jìn)，理論上進(jìn)一步降低被黑客入侵和篡改的概率，進(jìn)一步為UWB PEPS的應(yīng)用鋪平道路。 2021年7月CCC（The Car Connectivity Consortium，國(guó)際車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟）發(fā)布了3.0規(guī)范，定義了第三代數(shù)字鑰匙的互聯(lián)方案。UWB、BLE、NFC將在不同場(chǎng)景下分工合作，實(shí)現(xiàn)更加智能安全的身份識(shí)別、進(jìn)出控制和點(diǎn)火控制。其中BLE用于遠(yuǎn)距車輛喚醒和傳輸授權(quán)，UWB用于在喚醒后精確定位用戶位置，NFC用于手機(jī)沒電情況下的備用方案。 2022 Q1交付的蔚來ET7,將是全球首款配備UWB PEPS的新車，拉開了UWB PEPS系統(tǒng)裝車的序幕。

三、測(cè)距方法

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)測(cè)距精度要求的不同，UWB定義有兩種測(cè)距的實(shí)現(xiàn)方式，SS-TWR（Single Sided - Two-Way Ranging，單邊雙向測(cè)距）和DS-TWR（Double Sided - Two-Way Ranging，雙邊雙向測(cè)距）。

在SS-TWR方法中，如上圖所示，設(shè)備A在t1時(shí)刻發(fā)送請(qǐng)求性質(zhì)脈沖信號(hào)，同時(shí)記錄發(fā)送時(shí)間戳。經(jīng)過傳輸延時(shí)后，設(shè)備B在t2時(shí)刻接收到該脈沖信號(hào)，內(nèi)部處理后在t3時(shí)刻發(fā)送一個(gè)響應(yīng)性質(zhì)的脈沖信號(hào)，響應(yīng)脈沖中包含收到請(qǐng)求脈沖和發(fā)送響應(yīng)脈沖時(shí)刻記錄的時(shí)間戳t2和t3。設(shè)備A收到設(shè)備B響應(yīng)性質(zhì)的脈沖信號(hào)后，記錄此時(shí)的時(shí)間戳t4。在設(shè)備A和設(shè)備B本地時(shí)鐘完成精確時(shí)間同步后，設(shè)備A和設(shè)備B之間的距離D可由如下公式獲得。

從SS-TWR實(shí)現(xiàn)原理中可以看出，兩設(shè)備之間時(shí)間同步的精度，直接影響測(cè)距的精度。據(jù)測(cè)算，1ns的同步精度誤差將帶來0.3m左右的測(cè)距誤差，而納秒級(jí)的時(shí)間同步精度在當(dāng)前很多UWB設(shè)備之間根本無法達(dá)到。為了降低對(duì)時(shí)間同步精度的依賴，DS-TWR方法應(yīng)運(yùn)而生。

在DS-TWR方法中，如上圖所示，第一步請(qǐng)求脈沖和SS-TWR方法一樣，不同的是，設(shè)備B返回的是響應(yīng)+請(qǐng)求脈沖信號(hào)。設(shè)備A在收到這個(gè)信號(hào)之后并沒有停止，而是內(nèi)部處理之后馬上再次發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求脈沖信號(hào)。設(shè)備B在接收到這個(gè)請(qǐng)求脈沖信號(hào)之后記錄接收時(shí)間戳，并通過響應(yīng)脈沖告訴設(shè)備A這個(gè)時(shí)間戳。至此一個(gè)完整的DS-TWR過程才算結(jié)束，并可通過如下公式計(jì)算設(shè)備A和設(shè)備B之間的距離D。

四、定位方法

UWB目前有三種比較成熟的定位算法，TOA（Time of Arrival，到達(dá)時(shí)間）、TDOA （Time Difference of Arrival，到達(dá)時(shí)間差）和 AOA（Angel of Arrival，到達(dá)角度）。具體實(shí)現(xiàn)過程中，一般會(huì)采用融合三種定位方法的混合定位方案，實(shí)現(xiàn)最優(yōu)定位性能。 TOA采用圓周定位法，通過測(cè)量移動(dòng)終端與三個(gè)或更多UWB基站之間的距離來實(shí)現(xiàn)定位。通過三圓相交于一點(diǎn)可確定移動(dòng)終端的位置。然而由于多徑、噪聲等現(xiàn)象存在，會(huì)造成多圓無法相交或相交不是一個(gè)點(diǎn)而是一個(gè)區(qū)域，因此實(shí)際上很少單獨(dú)使用TOA定位。

TDOA基于TOA進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)基站進(jìn)行精確時(shí)間同步，這是容易實(shí)現(xiàn)的，而不關(guān)心移動(dòng)終端與基站之間的時(shí)間同步。首先計(jì)算出移動(dòng)終端與基站A和基站B之間的距離差，則移動(dòng)終端必定在以基站A和基站B為焦點(diǎn)，與焦點(diǎn)距離差恒定的雙曲線上。再通過移動(dòng)終端與基站A和基站C之間的距離差，可得另一組雙曲線，而雙曲線的交點(diǎn)就是移動(dòng)終端的位置。在車輛空間范圍內(nèi)，通過距離差的方式還可以減少多徑、噪聲等的影響。

AOA定位基于相位差的原理計(jì)算到達(dá)角度，只需要兩個(gè)基站即可實(shí)現(xiàn)定位。由于涉及到角度分辨率問題，因此定位精度隨基站距離的增加而降低，多用于中短距離的定位。

五、系統(tǒng)方案

（1）互聯(lián)PEPS方案

以CCC3.0規(guī)范為理論指導(dǎo)，通過UWB、BLE、NFC的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)的第三代數(shù)字鑰匙方案。典型系統(tǒng)方案為大陸在2020年8月發(fā)布，并已于2021年寶馬5系車型上量產(chǎn)的互聯(lián)PEPS方案。如下圖所示，整套方案布置7個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)和3個(gè)BLE節(jié)點(diǎn)，其中4個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)位于前大燈和后尾燈處，3個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)依次布置在前艙到尾門的車頂中間位置，3個(gè)BLE節(jié)點(diǎn)的位置與車頂3個(gè)UWB位置相近。

當(dāng)車主攜帶智能鑰匙靠近車輛，在最遠(yuǎn)80米的位置，車輛BLE節(jié)點(diǎn)就可以探測(cè)到智能鑰匙BLE信號(hào)。車輛BLE節(jié)點(diǎn)喚醒車身域控制器，車身域控制器控制迎賓燈緩緩亮起，從而進(jìn)入迎賓狀態(tài)。于此同時(shí)，車輛UWB節(jié)點(diǎn)被喚醒，在車主攜帶的智能鑰匙與車輛的距離小于10m時(shí)，車輛UWB節(jié)點(diǎn)通過定位手段可以實(shí)時(shí)精準(zhǔn)感知到車主的位置，此時(shí)車主只要拉動(dòng)車門就能自動(dòng)解鎖。此外，車輛也會(huì)配備NFC近場(chǎng)通訊的功能，在智能鑰匙沒電等特殊情況下，可以采用NFC近場(chǎng)通信解鎖、啟動(dòng)車輛。

（2）PEPS+AVP方案

UWB的精準(zhǔn)定位優(yōu)勢(shì)在自動(dòng)駕駛泊車領(lǐng)域迎來越來越多的關(guān)注，如果通過復(fù)用PEPS功能的UWB節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)AVP功能，可謂是一石二鳥，項(xiàng)目總工聽了半夜都能笑醒。 中電星辰就提供了這樣一種能讓項(xiàng)目總工半夜笑醒的UWB PEPS+AVP方案。一種可行的車端UWB節(jié)點(diǎn)布局方案如下圖所示。前大燈和尾燈處共放置四個(gè)UWB PEPS節(jié)點(diǎn)，車頂放置第五個(gè)UWB PEPS+AVP節(jié)點(diǎn)。第五個(gè)節(jié)點(diǎn)既可以接收車內(nèi)的UWB信號(hào)，也能接收車外的UWB信號(hào)，而且也是實(shí)現(xiàn)AVP功能的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)。

工作在PEPS模式時(shí)，第五個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)和其它四個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)一起，協(xié)同合作，完成智能鑰匙位置的測(cè)量，并將測(cè)距信息發(fā)送給車身域控制器，完成智能鑰匙位置的計(jì)算，從而決定后續(xù)的解鎖和啟動(dòng)操作。 工作在AVP模式時(shí)，第五個(gè)節(jié)點(diǎn)就開始不斷地接收停車場(chǎng)里鋪設(shè)的UWB節(jié)點(diǎn)播發(fā)的UWB定位報(bào)文，報(bào)文中包含有停車場(chǎng)停車位的信息，類似GNSS定位信號(hào)里的經(jīng)緯度信息。車端UWB節(jié)點(diǎn)將收到的定位報(bào)文送入智駕域控制器中，從而實(shí)現(xiàn)車輛在車庫內(nèi)的坐標(biāo)計(jì)算，并進(jìn)一步輸入給規(guī)劃控制模塊，用于AVP功能的實(shí)現(xiàn)。 第五個(gè)節(jié)點(diǎn)在設(shè)計(jì)的時(shí)候，考慮到AVP功能要面對(duì)的復(fù)雜場(chǎng)景，故射頻性能會(huì)比其它四個(gè)UWB節(jié)點(diǎn)更好一點(diǎn)。目前中電星辰可實(shí)現(xiàn)不低于50米的車庫UWB節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)。

（3）PEPS+腳踢雷達(dá)+活體檢測(cè)方案

如果說復(fù)用PEPS UWB節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)AVP功能，考慮到停車場(chǎng)端基建的支持，還不是一時(shí)半會(huì)可以大規(guī)模應(yīng)用的功能。那么復(fù)用PEPS UWB節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)腳踢門動(dòng)作檢測(cè)及車內(nèi)生命體征檢測(cè)，則是務(wù)實(shí)更迫切的需求。 清研訊科提供了這樣一套解決方案，通過搭配BLE節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)在20m范圍車輛與車主智能鑰匙的身份校驗(yàn)與認(rèn)證工作，并激活UWB節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)精準(zhǔn)定位功能。在智能鑰匙距離車輛3~10m范圍時(shí)，可觸發(fā)車輛迎賓功能而自動(dòng)開啟車燈。當(dāng)車輛UWB節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到智能鑰匙在車輛1~3m范圍內(nèi)時(shí)，可自動(dòng)解鎖車門，同時(shí)伴隨轉(zhuǎn)向燈閃爍、喇叭短響的提示。當(dāng)用戶進(jìn)入車內(nèi)，只需一鍵啟動(dòng)按鈕便可以啟動(dòng)車輛。 更為重要的是這套方案通過復(fù)用車內(nèi)UWB天線可實(shí)時(shí)檢測(cè)車內(nèi)生命體征狀態(tài)，包括動(dòng)態(tài)人體動(dòng)作和靜態(tài)人體呼吸，從而實(shí)現(xiàn)人員、寵物逗留提醒，實(shí)現(xiàn)智能化的活體檢測(cè)。通過復(fù)用車左后或右后UWB節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)精確檢測(cè)腳踢門動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)后備箱自動(dòng)打開功能。

六、小結(jié)

我們正處在汽車百年未有之大變局，汽車在大踏步的向智能化邁進(jìn)。然而所有的技術(shù)并不是一蹴而就，事物的發(fā)展需要結(jié)合天時(shí)地利人和，是一個(gè)循序漸進(jìn)的過程。正如在很多年前就已經(jīng)出現(xiàn)的BLE和UWB技術(shù)，也成功應(yīng)用到了工業(yè)、軍事等各個(gè)細(xì)分領(lǐng)域，但是并沒有應(yīng)用到汽車的PEPS系統(tǒng)。 不知道是哪位前輩，第一個(gè)想到把BLE和UWB技術(shù)應(yīng)用到汽車的PEPS系統(tǒng)。作為一名工程師，擁有這樣的能力那是可遇而不可求。這不僅需要有深厚的基礎(chǔ)技術(shù)功底，還需要有一顆奇思妙想的頭腦。這怕也是只有深耕細(xì)作，精益求精才能獲得的頓悟。

編輯：黃飛

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